[发明专利]一种增材制造不锈钢与锆合金的过渡液相扩散连接方法

说明书

本发明公开了一种增材制造不锈钢与锆合金的过渡液相扩散连接方法，包括以下步骤：(1)按顺序依次叠放耐高温隔离片、锆合金、铜箔、镍箔、增材制造不锈钢和耐高温隔离片，构成待焊整体；(2)将待焊整体放入真空扩散炉腔内，抽真空，扩散焊温度为880℃～980℃，扩散焊压力为0.5～3MPa，保温时间为60～90min；所述铜箔和镍箔的厚度为30μm～50μm；本方法中在锆合金和增材制造不锈钢之间引入铜箔和镍箔，在一定程度上减少了扩散焊接头中脆性相的生成数量，能够有效降低增材制造不锈钢与锆合金连接界面的残余应力，抑制裂纹的产生，提高焊接接头的综合力学性能，接头的抗剪强度结果显示均大于90MPa。

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，特别涉及一种增材制造不锈钢与锆合金的过渡液相扩散连接方法。

背景技术

不锈钢作为工程装备制造领域的重要结构材料，具有强度高、成本低、抗腐蚀性能优异等优势。而增材制造不锈钢相对于传统轧制不锈钢，在关键复杂形状零部件制造中更具优势，越来越引起工程制造领域的关注。锆合金具有良好的抗腐蚀、耐高温特点，并且自身的加工性能、导热性能也非常优异，是反应堆包壳与堆芯结构的常用材料。在核电装备服役的特殊环境下，锆合金相对于增材制造不锈钢具有更好的耐冲蚀性能；但增材制造不锈钢的成本远低于锆合金。因此在核反应堆的某些关键复杂构件制造中，不可避免的涉及到增材制造不锈钢与锆合金之间的异种金属连接。普通的熔化焊工艺在进行两者焊接时易于生成Fe-Zr脆性相，如Fe₂Zr、FeZr₂、FeZr₃等，焊接接头易出现裂纹，导致接头力学性能恶化。而扩散连接是通过在一定的温度和压力条件下，保温一段时间，使接触面原子发生扩散，实现同种或异种材料的扩散结合，可有效降低界面中脆性相的生成。

专利CN 113814550 A《一种锆及锆合金与不锈钢扩散连接的方法》中提出通过添加Ti中间层阻止了Zr与Fe元素直接接触形成脆性金属间化合物，但所述不锈钢与增材制造不锈钢在微观组织和焊接特性上有着本质区别，且中间层的Ti元素易与母材中Fe、Zr元素反应生成脆性相，降低接头性能，加工要求高；专利CN 102218592A《一种钛或钛合金与不锈钢的扩散焊方法》中采用与焊件材质相同的板材预先焊出块体结构，再沿纵向切割出薄片，将薄片处理后作为中间层进行扩散连接，需要进行两次扩散连接，工艺复杂，且制备周期较长。

目前国内外有关不锈钢与锆合金之间的扩散连接研究，多关注于传统不锈钢与锆合金的连接，增材制造不锈钢与锆合金之间的扩散连接研究尚未有报道，增材制造不锈钢具有微观孔隙，原子扩散不均匀，焊接难度大。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种提高焊接接头力学性能的增材制造不锈钢与锆合金的过渡液相扩散连接方法。

技术方案：本发明所述的扩散连接方法，包括以下步骤：

(1)按顺序依次叠放耐高温隔离片、锆合金、铜箔、镍箔、增材制造不锈钢和耐高温隔离片，构成待焊整体；

(2)将待焊整体放入真空扩散炉腔内，抽真空，扩散焊温度为880℃～980℃，扩散焊压力为0.5～3MPa，保温时间为60～90min；

所述铜箔和镍箔的厚度为30μm～50μm。

扩散焊温度是影响过渡液相扩散连接质量的重要工艺参数，温度过低，原子扩散速率低，连接界面无法形成过渡液相，难以形成有效的界面结合；温度过高，会导致母材晶粒粗化严重，引起母材软化，降低接头整体性能。压力保持在合适范围内，有利于界面紧密贴合，压力过大，容易将过渡液相挤出界面区域；压力过小，不利于界面的紧密贴合。保温时间主要影响原子扩散距离和界面成分均匀化，时间过短，原子扩散不充分，界面成分布均匀，难以形成有效的界面结合；时间过长，长时间的高温下，母材晶粒粗化严重，且延长了工艺周期。铜箔和镍箔的厚度要适中，太厚的铜箔和镍箔，限制了原子的扩散距离，成分均匀化的所需的时间过长；太薄的铜箔和镍箔，原子扩散不足以形成界面过渡液相，难以达到有效的扩散连接。